科學講座 ( 南山中學 )

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科學講座 ( 南山中學 )

主題：奈米世界講員：科技報導、科學月刊 主編 吳松春 [email protected]

日期： 99年 12月 9 日

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簡介奈米到底是瞎「米」？在這個科技名詞被濫用的年代，不想被瞎唬嗎？讓我們從巨觀到微距的尺寸，一起探索「奈米」的世界吧。● 一、度量衡 ( 大小單位 ) 簡介●二、奈米的原理、意義●三、自然界的奈米現象●四、奈米材料的應用例子●五、奈米的未來

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前言一個笑話 -- 奈米到底是瞎「米」？ 有一位老農夫，向來只吃自己種的米， 但他了吃一輩子的米，就沒吃過「奈米」 新品種，它到底是瞎「米」？ 這一天，老農夫終於鼓起勇氣，到一家新開的米店，他向老闆說：「給我一斤奈米吧！」

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測驗之一近幾年來，許多商業產品若打著「奈米科技」，售價立刻翻升。下列產品，那些是「奈米技術」產品？(1) 奈米口罩 (2) 奈米面霜 (3) 奈米皮鞋 (4) 奈米燈管 (5) 奈米冰箱 (6) 奈米冷氣 (7) 奈米電扇(8) 奈米纖維 (9) 奈米燈管 (10) 奈米沙發 (11) 奈米馬桶 (12) 奈米礦泉水…………

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測驗之二「奈米」是什麼？(1) 稻米新品種 (2) 科學新發明 (3) 科技新產品 (4) 單位尺寸…………………Which one ？

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奈米是啥？ --→ 奈米的定義「奈米」是一個長度單位。「奈米」中的「米」字代表一公尺 (meter ），

「奈」字是英文 nano 的音譯，即是 10 － 9 。兩個字的組合，代表十億分之一公尺。 （冷冰冰數字，沒有感覺）

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生活中的尺寸可愛小玩具↓ 助聽器↓ 手錶內部機械↓ 電子零件↓ 心臟節律器↓ 原子筆尖↓ CD 讀寫頭↓IC 晶片…………

→

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　　　科學家的尺寸科學研究上兩個方向有多大？（定量）　 ← 大小尺寸　（１）很大　　　　→天文單位　　（２）很小　　　　 →分子　原子　基本粒子　　　 　　會怎樣？（定性）　←性質描述　　　→顏色　導電　水（油）溶性　有毒否．．．．

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光年： 1 光年的距離約為 9.5 兆公里。離我們太陽系最近的恆星 (半人馬座的 Proxima)與我們相距約有 4.24 Ly 。

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一、度量衡 ( 大小單位 ) 簡介 (1/3)

★從「小」排列到 「大」 ---1. 公尺 ( 米 )meter— 代號 m2. 十米 decameter — 代號 dam 3.百米 hectometer — 代號 hm 4. 公里 (千米 ) kilometer— 代號 km

※光年 Light year— 代號 Ly( 光年雖然有個「年」字，但不是「時間」單位！ 它是天文上用來表示「距離」的單位。 1 光年的距離約為 9.5 兆公里 )

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一、度量衡 ( 大小單位 ) 簡介 (2/3)

★從「大」排列到 「小」 ---1. 公尺 ( 米 )meter — 代號 m2. 分米 deci-meter — 代號 dm 3. 公分 (厘米 ) centi-meter — 代號 cm 4.毫米 milli-meter — 代號 mm5. 微米 micro-meter — 代號 μm6.毫微米 nano-meter — 代號 nm

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一、度量衡 ( 大小單位 ) 簡介 (3/3)

換算關係 ---1Km ＝ 103m1m ＝ 102cm1cm＝ 10 － 2m； 1mm＝ 10 － 3m※1μm＝ 10 － 6m； 1nm＝ 10 － 9m

※1 光年＝ 300000 公里∕秒 × 60秒∕分 × 60 分∕小時 × 24 小時∕天 × 365 天∕年，差不多等於 9,460,000,000,000 Km∕yr

( 九兆四千六百億公里∕年 ) 。

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二、奈米的意義1. 定義 ---奈米（ nano-meter ）是長度的單位，數學符號是 nm ，一奈米等於十億分之一公尺。 （ 1 nm=10-9 m ） Nanometer 過去譯為「毫微米」，今統一譯為「奈米」；中國大陸則譯成「納米」。※英文字首 nano ，希臘文是「侏儒」的意思。 （冷冰冰數字，沒有感覺）

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二、奈米的意義 (續 )

2.比較 ---＊一奈米（ nm ）大小，約等於人類頭髮直徑的十萬分之一。＊一奈米大小，約等於 5~6 個原子 (atom)

例如：１． DNA 分子的螺旋結構直徑約為 2.5nm２．菸草病毒約為 18 nm直徑。

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比喻：＊若以 1 公尺比為地球直徑，那麼 1 奈米約為地球上 一粒玻璃彈珠的直徑。＊一奈米約等於人類頭髮直徑的十萬分之一。

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DNA 分子的螺旋結構直徑約為 2.5nm 。 ＊菸草病毒直徑約為 18 nm 。

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二、奈米的意義 (續 )

3.目地 ---任何物質一旦逐漸縮小，接觸面積就愈來愈大（比表面積增加），其原來的物理、化學、生物，會產生基本的變化，而出現新的特性與現象。因此，若能善加利用奈米技術，即可能把原產品作得更精緻、微小、省電、效率更高。科學家們認為，奈米科技將引發人類社會的第四波工業革命，將對光電、電子、化工、材料及生醫等重要產業，產生革命性影響。

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二、奈米的意義 (續 )

4.標準 ---凡是能夠做到 100 奈米 (nm)以內的技術，才可稱為「奈米技術」，而做出的產品才可稱「奈米產品」 （ 0.1至 100 nm ）。※目前國內規定，任何號稱「奈米產品」，必須送經濟部工業局 (工研院奈米技術研發中心 ) ，測試成功後發給認證標章。

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奈米標章

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任何物質一旦逐漸縮小↓↓，當一種材料縮小至奈米尺度時，比表面積增大，原有物理、化學和生物等性質將改變，產生新的特性。 即所謂「小尺寸效應」及「表面效應」。

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表面積與體積之比 比表面積是：表面積與體積的比值 （比表面積 = 表面積 / 體積）。當體積越小，比表面積越大，就具有所謂的小尺寸效應。

1個 4cm正立方 8個 2cm正立方 64個 1cm正立方

表面積 6x4x4＝ 96 8x6x2x2＝ 192 64x6x1x1＝ 384

總體積 4x4x4＝ 64 8x2x2x2＝ 64 64x1x1x1＝ 64

比面積 1.5： 1 3： 1 6： 1

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在這麼微小的尺度下，如何準確地去量它呢？ 1980 年代，電子掃描穿隧顯微鏡 (STM) 、原子力顯微鏡 (AFM) 及近場光學顯微鏡 (NFM) 等分析儀器的進步，提供了奈米分析所需的「眼睛」與「手指」，使得奈米世界的特殊現象漸被了解。

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→ 使用 原子力顯微鏡 (AFM)

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用來探究原子解析度的「掃瞄穿隧式顯微鏡」 (STM)→圖： 1989 年，美國 IBM利用 STM 刻出圖案。

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三、自然界的奈米現象 數百萬甚至數千萬年前，自然界的許多生物體內演化出奈米粒子或奈米構造，使其展現特殊功能或形態。1.昆蟲翅膀不沾灰塵或水滴，可自我清潔。2.蓮花之出汙泥而不染 (蓮花效應 )

3. 飛蛾眼睛的角膜表面具有奈米級的細小突起，小於光線的波長，反光性極低，避免被敵人發現 (蛾眼效應 ) 。4.蝴蝶翅膀具有奈米級光子晶體結構，反射不同頻率的光，翅膀顏色會隨觀看角度而改變，看起來如此五彩繽紛。

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三、自然界的奈米現象 (續 )

昆蟲方向感 ---很多動物的方向感絕佳，會自己找到回家的路，距離較短者有螞蟻及蜜蜂，千里跋涉則有鴿子和鮭魚等。科學家們在這些生物體內，都找到了奈米級磁性粒子的存在。這些奈米磁性粒子就是生物磁羅盤，其功用是感應地球磁場的細微差異，作為導航的依據，以找到回家的路。

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自然界的奈米現象 (續 ) 蓮花 --- (1/3)

1.蓮花之出汙泥而不染，是因為葉面結構細膩，表皮細胞上覆蓋著一層奈米級、且具有疏水性的表面臘質 (epicuticular wax) 。

當水與疏水性表面蠟質接觸時，並因表面張力而形成水珠。※疏水性←→親水性

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※蓮花效應蓮花 --- (2/3)

2.因表面不沾水滴，滾動的水珠會順便把一些灰塵污泥的顆粒一起帶走，達到自我潔淨的效果。此奈米結構所造成的效應稱為蓮花效應（ Lotus Effect)。

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※蓮花效應的應用蓮花 --- (3/3)

3. 蓮花效應的應用，主要是透過人工合成的方式，將特殊的化學成分加入塗料、建材、衣料內等等，使其具有防水防塵的自潔功能。目前市面上已有「自潔效應」的奈米磁磚及奈米烤漆等產品。

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三、自然界的奈米現象 (續 )

鵝、鴨羽毛 ---鵝、鴨與水鳥的羽毛不會濕，是因為羽毛之間的隙縫，小到奈米尺寸，水分子無法滲透， 但仍保持通氣。※市售的羽毛衣等產品。

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三、自然界的奈米現象 (續 )

人體是由 60 兆個細胞所組成，每個細胞的平均直徑為 50 微米（ 0.005 公分）。

細胞內外有許多奈米尺寸的構造及元件，負責維持人體的正常運作。 例如：攜帶人類遺傳密碼的物質 DNA ，直徑約 2 奈米。

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三、自然界的奈米現象 (續 )

細胞膜厚度約在 7~10 奈米，膜上的離子通道外徑在 10 奈米以下，而內徑僅達 1~2 奈米寬，負責控制鈣、鉀、鈉、氯等離子的進出；細胞膜上的接受器（ receptor ）會辨識血液中的賀爾蒙或藥物，引起細胞做出反應。

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四、奈米材料的應用奈米科技的應用，其研究發展涵蓋範圍，相當廣泛： 1. 奈米材料與化工 2. 奈米電子及光電 3. 奈米生物與醫學 4.航空及太空探險 5.環境與能源 6 奈米軍事

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四、奈米材料的應用 (續 )

工研院奈米科技研發中心主任蘇宗粲指出，食、衣、住、行、育、樂和醫藥等各方面，都跟奈米技術脫不了關係。 1. 食 : 在食品包裝上添加了奈米顆粒，延長保存期限。在塑膠袋、保特瓶等高分子聚合物中添加奈米顆粒，可以增加分子間的緻密度，使得氧氣不易進出，提高阻擋氧氣的能力。酒也會因為奈米技術而變得更好喝。2. 衣 : 奈米衣料最大的好處就是不怕髒，不易沾上咖啡、油滴等污漬。在衣料纖維表面塗覆疏水性的奈米顆粒，只要輕輕一撣，污漬液滴就掉下來。未來若能把衣料塗上能夠吸收紅外線或者抗 UV 的奈米顆粒，就可製作出能保暖、防曬的衣物。

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四、奈米材料的應用 (續 )

3. 住： 在陶瓷表面覆蓋具有抗菌能力的奈米微細釉藥，製造出不沾污垢、抗菌的一系列衛浴設備。4. 行： 未來汽車、飛機的重量會更輕，更省電，也更環保。德國汽車正研發新型擋風玻璃，以奈米級的玻璃顆粒混上塑膠，重量不但大大減輕，而且不沾雨絲，不易附著污垢。 太陽能電動汽車，或者人人手上拿的是可待機數百小時的行動電話，也會因奈米技術成真。因為在電池添加了奈米級鋰顆粒，能夠大幅延長供電時間，縮短充電時間，會是未來電池的主流。

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四、奈米材料的應用 (續 )

5. 育： 比信用卡還薄的電子書，面板是由上百萬個奈米顆粒所組成，隨著輸入的頁數，每頁有不同的畫面跳出來。 6. 樂： 未來兩年內，第一台以奈米碳管做成螢幕的電視可望問世，不但省電、成本低，而且很薄，厚度僅數公釐。 奈米碳管也可用於網球拍，質輕、鋼性好的特點。 奈米網球、奈米排球：在球類表面塗覆奈米顆粒，也能阻絕氣體進出，不易沾上汗滴，保持球的彈性。在美國開打的戴維斯盃網球賽，即是用奈米網球。

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四、奈米材料的應用 (續 )

7. 醫藥： ◎ 延長藥效 ： 波士頓大學研究人員把老鼠的胰島細胞用薄膜包起來，再植入患有糖尿病的老鼠體內，薄膜上布滿 7 奈米大小的孔洞，僅能讓胰島素分子慢速釋放出來。這樣一來，原本需要天天注射胰島素的糖尿病鼠，植入膠囊後，不用打針，數週後也可存活下來。 ◎ 精準到達病灶： 以奈米高分子聚合物做為藥物的載體，使藥物容易被細胞吸收，更能精準到達病灶。 利用奈米級機器人進入人體和病毒展開大作戰，或是清除血管中的血塊，都會因為人類走進微小世界之路，使一切變得可能。

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四、奈米材料的應用 (續 )

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四、奈米材料的原理 (續 )

碳原子 (含 6 個電子 . 質子 . 中子 ) ：

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四、奈米材料的原理 (續 )

碳六十 (1/4)

碳六十也是碳簇中第三個被發現的碳同素異形體(allotropic form) 。

1.石墨 (graphite) --碳原子以層狀排列2.鑽石 (diamond)--碳原子以四面體方式架構3.碳六十 -- 碳原子以 60 個球面方式架構

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四、奈米材料的原理 (續 )

碳六十 (2/4)美國夏威夷大學早已發現四十六億年前的隕石，內存在著 C60、 C70以及C100至 C300等純碳分子，並認為它們是宇宙早期即已存在的物質。

1985 年，英國柯洛托 (Kroto) 為了探索星際塵埃光譜，在柯爾 (Curl)與史莫利 (Smalley) 的協助下，測出含有偶數個碳原子的碳簇 (carbon cluster) 。※這些成就使三人共同榮膺 1996年諾貝爾化學獎。

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四、奈米材料的原理 (續 )

碳六十 (3/4)

由 60 個碳原子所組成的原子團，簡稱為 C60 。因外觀像 1967 年加拿大蒙特婁世界博覽會美國館，所以又稱巴克球 (Bucky ball) 。

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四、奈米材料的原理 (續 )

碳六十 (4/4)

1.由 20 個六角形和 12 個五角形所圍成，外形像一顆足球。2. 是目前已知對稱性最高的球狀分子。3.直徑為 71nm ，室溫下呈紫紅色的固態分子晶體。4. 不導電，但在凱氏溫度

18K0(-273+18 )℃ 時，具有 超導性。

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四、奈米材料的原理 (續 )

奈米碳管 CNT (1/4)碳奈米管 (Carbon nanotubes)是 1991 年由日本 NEC 公司的飯島澄男 (S. Ijinma)於研究碳簇時偶然發現，是目前自然界中已知最細的管子。※它具有高導熱性、高強度、高柔軟度及化性穩定等特點。

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四、奈米材料的原理 (續 )

奈米碳管 CNT--- (2/4)

其結構為碳原子以六角形排列，然後捲曲成管狀，外加兩顆做為封蓋的半球狀碳簇。奈米碳管基本上可分成：單壁層碳奈米管和多壁層碳奈米管兩類。

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四、奈米材料的原理 (續 )

奈米碳管 CNT--- (3/4)奈米碳管比鋼鐵輕了六倍，但強度卻高出 500倍以上，可用來取代銅線或製造超強度塑膠。奈米碳管是有史以來被發現過的最佳導熱材質，能量的傳導性幾乎比現今發現的所有材料都還要好。

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四、奈米材料的原理 (續 )

奈米碳管 CNT--- (4/4)

在商業用途上，奈米碳管可用於電視、個人電腦顯示器，目前已進入試作階段。※ —世界最小的溫度計 -- 奈米碳管溫度計 (直徑約 85奈米、長度數毫米 )

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四、奈米材料的應用 (續 )

量子電腦 ---1/4 1. 科技不斷進步，目前晶片製程的技術，也已從 130 奈米 (2001) 、 90 奈米

(2005)、 65 奈米 (2005) 、，預計 2011年可能再大幅進步到 22 奈米的技術。 【 2010年台灣已發展出 16奈米元件技術】

※但當晶片愈做愈小，將面臨一些物理上的瓶頸，例如耗能和散熱問題。2. 量子電腦的基本元件就是： 原子和分子。

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※2000 年， IBM 公司宣布研製出利用 5個原子作為處理器和存儲器的量子電腦。

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四、奈米材料的應用 (續 )

量子電腦 --- 2/4 3. 量子電腦的概念，為透過量子力學的應用，提高微處理器的速度，將電晶體壓縮到原子般的體積大小，讓資料以近光速的速度傳輸。因此，利用量子狀態來進行資訊處理的電股設備，就稱為量子電腦

(Quatum Computer) 。 ←定義

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四、奈米材料的應用 (續 )

量子電腦 --- 3/4 4. 在量子電腦中，利用原子的能階代表資訊的 0與 1 ，以氫原子的基態表示

0( 記為 | 0 >) ，以氫原子的激發態表示 1( 記為 | 1 > ) 。5. 一個位元稱為 quantum bits (qubits).6. 量子電腦可同時讓 0與 1 兩種狀態並存，達到迅速處理數百位數資料的目的。

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四、奈米材料的應用 (續 )

量子電腦 --- 4/4 7. 科學家 Shor 在 1994 年指出，若同樣要解一個 300 位數的數位密碼，用傳統電腦

(每秒鐘 1 兆 bytes)需要 15萬年才能解開，但量子電腦不到 1秒就可完成，兩者演算速度相差上千億倍。

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四、奈米材料的應用 (續 )

光觸媒應用1. 奈米光觸媒電扇 2. 奈米光觸媒冷氣3. 奈米光觸媒冰箱4. 奈米光觸媒清淨機

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四、奈米材料的原理 (續 )

光觸媒 --- 1/3 1. 光觸媒則是在光源照射下，利用特定波長光源的能量來產生催化的作用，使周圍之氧氣及分子激發成極具活性的． OH 及． O2 自由離子基。這些氧化力極強的自由基，具有抑菌 、殺菌、 無毒性、 脫臭、親水性、自淨性等特性，讓光觸媒成為理想環保產品。

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四、奈米材料的應用 (續 )

光觸媒 --- 2/3 2. 應用奈米科技將二氧化鈦 (TiO2)製成奈米級顆粒，則可藉由大幅增加表面積與體積的比例，提高光觸媒作用的效率。 ◎可做為光觸媒的材料眾多，包括 Ti O2 、ZnO 、 Sn O2、 Zr O2等氧化物。 ※二氧化鈦 (Ti O2)因氧化能力強、化學性安定又無毒，自 1972 年發現至今，已成為最近當紅的奈米光觸媒家電、等民生用品的最愛。

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四、奈米材料的應用 (續 )

光觸媒 --- 3/3 3. 光觸媒能產生的強效氧化作用，去除捕捉空氣中浮游細菌，去除率高達 99.997%；也可使空氣中病毒的蛋白質凝固，抑制病毒活動。並可分解汽車廢氣、新建材異味，去除有害氣體，並完全除臭！

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※ 光觸媒應用奈米光觸媒具有抗菌、清淨空氣、淨水、防污、防霧及醫療等六大功能。奈米光觸媒可分解細菌的細胞膜來殺死細菌，並進一步分解細菌的殘骸。目前市面上已推出結合奈米光觸媒的磁磚、地板、窗簾、隔牆板及抗菌噴劑等產品。

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四、奈米材料的應用 (續 )

分子生物馬達 --- 1/3 1.生物分子馬達 (Biomolecule motor)是一種能夠像馬達一般，在給予適當能量後，做出轉動的生化小分子。2. 這種分子馬達只有在電子顯微鏡下才能觀察到，有了這麼小的馬達，再加上適當的配件，或許能夠做出分子機器人，進入人體內去修補受損的 DNA ，或清除血管壁上堆積的膽固醇。

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四、奈米材料的應用 (續 )

分子生物馬達 --- 2/3 ３ . 美國康奈爾大學 (Cornell University)利用更改的大腸桿菌，創造了只有一粒分子大小的馬達，直徑 150 奈米，動力來源為一種酵素 (F1-ATPase) ，轉速可達到每秒鐘 8轉，續航力１５０分鐘。

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四、奈米材料的應用 (續 )

分子生物馬達 --- 3/3 4. 若將生物分子馬達利用微機電技術，再接上其他東西，可製造出奈米機器人等。5. 科學家希望，將這種新科技發展成為可以攜帶藥物的馬達，放在身體內運行，在恰當的時間和地方，將精確的藥物數量，放進有病的細胞。

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四、奈米材料的應用 (續 )

奈米軍事 --- (1)"麻雀 "衛星 (2)"蚊子 " 導彈 :　　奈米導彈直接電波遙控，　　潛入敵方 .

(3)"蒼蠅 "飛機 :　　蒼蠅般大小的柚珍飛行器 (4)螞蟻士兵 :　　通過聲波控制的微型機器人 (５ )蜘蛛機器人 : 　見右圖

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五、奈米的未來展望【新聞】日砸 3千億 　打造太空電梯 　　　繼美國航太總署於 2000 年投入研究， 2008年 9月 18 日，日本「朝日新聞」報導，日本的相關研究者已組成「太空電梯協會」，　　準備於 11 月廣邀海外研究人員，在東京召開第 1屆國際會議，共同商討打造太空電梯的具體規劃。

　打造太空電梯必須先發射一顆懸浮靜止衛星至赤道上空約 3萬 6000公里處，接著垂下一根由奈米碳管所製成的纜繩，一端落至地球予以固定。為了取得平衡，該條纜繩另一端將延伸至衛星另一側的某種重物之上。　　一旦這條長達 10萬公里（相當於地球到月球距離的 4 分之 1 ）的太空纜繩裝置完成，就能在其上裝設太空電梯載運乘客或貨物，或輔助放射性物質投棄至太陽，以及設置太陽能發電衛星等太空計畫。

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五、奈米的未來展望 (續 )

(續 )---　太空電梯無須火箭升空所耗費的龐大燃料，旅程也較短，成本僅止於目前太空旅行費用的 1% 。　該構想以往面臨到的最大難題，是研究人員不知道該用何種材質打造太空纜繩，因為這條纜繩必須比鋼鐵強韌 180倍（標準強度），才能承擔龐大拉力。

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五、奈米的未來展望 (續 )

太空電梯”的繩索？ --- 碳奈米管的材料很輕，但很結實。它的密度是鋼的 1/6 ，而強度卻是鋼的 100倍。如果用碳奈米管做繩索，是唯一可以從月球掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。有了碳奈米管這種奇特的材料，我們的太空旅行夢有希望了。

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五、奈米的未來展望 (續 )

工業革命 第一次

工業革命 第二次

工業革命 第三次

工業革命 第四次

18 世紀中期 至19 世紀末期

19 世紀末期至20 世紀中期

20 世紀中期至20 世紀末期

20 世紀末期至21 世紀起

代表：蒸氣機 代表：內燃機與發電機 代表：電腦 代表：奈米

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五、奈米的未來展望 (續 )

奈米時代的來臨 --- 人類文明在歷經前三個工業革命，第四次工業革命的腳步儼然已隨著奈米科技的興起而到來。由於其涵蓋領域甚廣，潛在的影響範圍遠超過半導體資訊產業，因此目前世界各國無不競相投注大量的人力與資金進行相關的研究開發。

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※ 總結 1. 「奈米」是一個長度單位。數學符號是 nm ，一奈米等於十億分之一公尺。 （ 1 nm=10-9 m ） 2.任何物質一旦逐漸縮小，接觸面積就愈來愈大（比表面積增加），其原來的物理、化學、生物，會產生基本的變化，而出現新的特性與現象。 3.因此，若能善加利用奈米技術，即可能把原產品作得更精緻、微小、省電、效率更高。 4. 科學家們認為，奈米科技將引發人類社會的第四波工業革命，將對光電、電子、化工、材料及生醫等重要產業，產生革命性影響。

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※討論—思考物質被研磨到了奈米的尺寸，原來性質會發生重大的改變。因此，材料做成奈米等級之後，一定就會比較好用 ? 目前缺點：價格昂貴、維護費高、 ( 未知 ) 可能傷身 ？

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6. 參考資料 ( 推薦 )

1.呂宗昕（臺大化工系教授 ) ，圖解奈米與光觸媒，商周出版， 20032.工研院 奈米科技研發中心

www.ntrc.itri.org.tw/index.jsp3. 科學月刊４ .國科會

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※ 討論 (Q&A)

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